k近邻法(k-nearest neighor, k-NN),是一种基本的分类和回归方法。这里只讨论分类问题中的k近邻。
k近邻法的输入为实例的特征向量,对应于特征空间的点;输出为实例的类别,可以取多类。
k近邻法假设给定一个训练数据集,其中的实例类别已定,分类时,对新的实例,根据其k个最近邻的训练实例的类别,通过多数表决的方式进行预测。
因此k近邻法不具有显式的学习过程。
采用测量不同特征值之间的距离方法进行分类。
k近邻法流程:
算法原理:
算法伪代码:
(1)计算已知类别数据集中的点与当前点之间的距离;
(2)按照距离递增次序排序;
(3)选取与当前点距离最小的走个点;
(4)确定前k个点所在类别的出现频率;
(5)返回前女个点出现频率最高的类别作为当前点的预测分类。
from numpy import *
import operator
from os import listdir
#基本kNN实现
def classify0(inX, dataSet, labels, k):
dataSetSize = dataSet.shape[0] # 行数,也就是第一维度
diffMat = tile(inX, (dataSetSize, 1)) - dataSet # 复制dataSetSize行数的inX,计算差值
sqDiffMat = diffMat**2 # 平方,欧式距离
sqDistances = sqDiffMat.sum(axis=1) # axis=0表述列 axis=1表述行,此处表示把行向量相加
distances = sqDistances**0.5
sortedDistIndicies = distances.argsort() # 排序后的下标,argsort函数返回的是数组值从小到大的索引值
classCount={}
for i in range(k):
voteIlabel = labels[sortedDistIndicies[i]]
classCount[voteIlabel] = classCount.get(voteIlabel, 0) + 1
# get()函数返回指定键的值(voteIlabel),如果值不在字典中返回0值
sortedClassCount = sorted(classCount.iteritems(), key=operator.itemgetter(1), reverse=True)
# 使用程序第二行导入运算符模块的itemgetter方法,按照第二个元素次序进行排序,逆序 :从大到小
return sortedClassCount[0][0] # 最大的类
def file2matrix(filename):
fr = open(filename)
numberOfLines = len(fr.readlines()) # get the number of lines in the file
returnMat = zeros((numberOfLines, 3)) # prepare matrix to return
classLabelVector = [] # prepare labels return
fr = open(filename)
index = 0
for line in fr.readlines():
line = line.strip() # 截取掉所有回车字符
listFromLine = line.split('\t') # 使用tab字符将上一步得到的整行数据分割成一个元素列表
returnMat[index, :] = listFromLine[0:3] # 抽取前三列数据,不包括第三列
classLabelVector.append(int(listFromLine[-1]))
index += 1
return returnMat, classLabelVector
#归一化
def autoNorm(dataSet):
minVals = dataSet.min(0) # 每列最小值
maxVals = dataSet.max(0)
ranges = maxVals - minVals
normDataSet = zeros(shape(dataSet))
m = dataSet.shape[0]
normDataSet = dataSet - tile(minVals, (m,1)) # 分子,归一化(x-min)/(max-min)
normDataSet = normDataSet/tile(ranges, (m,1)) # element wise divide
return normDataSet, ranges, minVals
def datingClassTest():
hoRatio = 0.10 # hold out 10%
datingDataMat,datingLabels = file2matrix('datingTestSet2.txt') # label处理好的数据 load data setfrom file
normMat, ranges, minVals = autoNorm(datingDataMat)
m = normMat.shape[0]
numTestVecs = int(m*hoRatio) #测试样本占总数据的90%
errorCount = 0.0
for i in range(numTestVecs):
classifierResult = classify0(normMat[i, :], normMat[numTestVecs:m, :], datingLabels[numTestVecs:m], 3)
print ("the classifier came back with: %d, the real answer is: %d" % (classifierResult, datingLabels[i]))
if (classifierResult != datingLabels[i]): errorCount += 1.0
print ("the total error rate is: %f" % (errorCount/float(numTestVecs)))
print (errorCount)
#约会网站预测函数
def classifyperson():
resultList = ['not at all', 'in small doses', 'in large doses']
percentTats = float(raw_input("percentage of time spent playing video games?"))
ffMiles = float(raw_input("frenquent flier miles earned per year?"))
iceCream = float(raw_input("liters of ice cream consumed per year?"))
datingDataMat, datingLabels = file2matrix('datingTestSet2.txt')
normMat, ranges, minVal = autoNorm(datingDataMat)
inArr = array([ffMiles, percentTats, iceCream])
classifierResult = classify0((inArr-minVal)/ranges, normMat,datingLabels,3)
print "you will probably like this person:", resultList[classifierResult-1]
#测试
classifyperson()
def img2vector(filename):
returnVect = zeros((1,1024))
fr = open(filename)
for i in range(32):
lineStr = fr.readline()
for j in range(32):
returnVect[0,32*i+j] = int(lineStr[j]) #把32*32的图像转化成1*1024的向量
return returnVect
def handwritingClassTest():
hwLabels = []
trainingFileList = listdir('trainingDigits') # 使用os.listdir()函数获得指定目录中的内容 load the training set
m = len(trainingFileList)
trainingMat = zeros((m,1024))
for i in range(m):
fileNameStr = trainingFileList[i]
fileStr = fileNameStr.split('.')[0] # take off .txt
classNumStr = int(fileStr.split('_')[0]) # 去掉_
hwLabels.append(classNumStr)
trainingMat[i, :] = img2vector('trainingDigits/%s' % fileNameStr)
testFileList = listdir('testDigits') # iterate through the test set
errorCount = 0.0
mTest = len(testFileList)
for i in range(mTest):
fileNameStr = testFileList[i]
fileStr = fileNameStr.split('.')[0] #take off .txt
classNumStr = int(fileStr.split('_')[0])
vectorUnderTest = img2vector('testDigits/%s' % fileNameStr)
classifierResult = classify0(vectorUnderTest, trainingMat, hwLabels, 3)
if (classifierResult != classNumStr):
errorCount += 1.0
print ("the classifier came back with: %d, the real answer is: %d" % (classifierResult, classNumStr))
print ("\nthe total number of errors is: %d" % errorCount)
print ("\nthe total error rate is: %f" % (errorCount/float(mTest)))
handwritingClassTest()
可以看出错误率仅为1.2%。改变变量k的值、 修改函数handwritingClassTest()随机选取训练样本、改变训练样本的数目,都会对k-近邻算法的错误率产生影响,可以改变这些变量值,观察错误率的变化。
实际使用这个算法时,算法的执行效率并不高。因为算法需要为每个测试向量做2000次距离
计 算 ,每个距离计算包括了1024个维度浮点运算,总计要执行900次 ,此外,我们还需要为测试
向量准备2MB 的存储空间。是否存在一种算法减少存储空间和计算时间的开销呢?k决策树就是
A-近邻算法的优化版,可以节省大量的计算开销。
k-近邻算法是分类数据最简单最有效的算法,本章通过两个例子讲述了如何使用k-近邻算法构造分类器。k-近邻算法是基于实例的学习,使用算法时我们必须有接近实际数据的训练样本数据。k-近邻算法必须保存全部数据集,如果训练数据集的很大,必须使用大量的存储空间。此外,由于必须对数据集中的每个数据计算距离值,实际使用时可能非常耗时。k近邻算法的另一个缺陷是它无法给出任何数据的基础结构信息,因此我们也无法知晓平均实例样本和典型实例样本具有什么特征。下一章我们将使用概率测量方法处理分类问题, 该算法可以解决这个问题。